5G innovation opportunities-- A discussion paper

On the shaping of 5G technologies and networks, scope for wider service and applications innovation and UK strengths and opportunities

ワイヤレス通信のための先進的な信号処理技術を用いた非線形補償法の研究

The inherit nonlinearity in analogue front-ends of transmitters and receivers have had primary impact on the overall performance of the wireless communication systems, as it gives arise of substantial distortion when transmitting and processing signals with such circuits. Therefore, the nonlinear compensation (linearization) techniques become essential to suppress the distortion to an acceptable extent in order to ensure sufficient low bit error rate. Furthermore, the increasing demands on higher data rate and ubiquitous interoperability between various multi-coverage protocols are two of the most important features of the contemporary communication system. The former demand pushes the communication system to use wider bandwidth and the latter one brings up severe coexistence problems. Having fully considered the problems raised above, the work in this Ph.D. thesis carries out extensive researches on the nonlinear compensations utilizing advanced digital signal processing techniques. The motivation behind this is to push more processing tasks to the digital domain, as it can potentially cut down the bill of materials (BOM) costs paid for the off-chip devices and reduce practical implementation difficulties. The work here is carried out using three approaches: numerical analysis & computer simulations; experimental tests using commercial instruments; actual implementation with FPGA. The primary contributions for this thesis are summarized as the following three points: 1) An adaptive digital predistortion (DPD) with fast convergence rate and low complexity for multi-carrier GSM system is presented. Albeit a legacy system, the GSM, however, has a very strict requirement on the out-of-band emission, thus it represents a much more difficult hurdle for DPD application. It is successfully implemented in an FPGA without using any other auxiliary processor. A simplified multiplier-free NLMS algorithm, especially suitable for FPGA implementation, for fast adapting the LUT is proposed. Many design methodologies and practical implementation issues are discussed in details. Experimental results have shown that the DPD performed robustly when it is involved in the multichannel transmitter. 2) The next generation system (5G) will unquestionably use wider bandwidth to support higher throughput, which poses stringent needs for using high-speed data converters. Herein the analog-to-digital converter (ADC) tends to be the most expensive single device in the whole transmitter/receiver systems. Therefore, conventional DPD utilizing high-speed ADC becomes unaffordable, especially for small base stations (micro, pico and femto). A digital predistortion technique utilizing spectral extrapolation is proposed in this thesis, wherein with band-limited feedback signal, the requirement on ADC speed can be significantly released. Experimental results have validated the feasibility of the proposed technique for coping with band-limited feedback signal. It has been shown that adequate linearization performance can be achieved even if the acquisition bandwidth is less than the original signal bandwidth. The experimental results obtained by using LTE-Advanced signal of 320 MHz bandwidth are quite satisfactory, and to the authors’ knowledge, this is the first high-performance wideband DPD ever been reported. 3) To address the predicament that mobile operators do not have enough contiguous usable bandwidth, carrier aggregation (CA) technique is developed and imported into 4G LTE-Advanced. This pushes the utilization of concurrent dual-band transmitter/receiver, which reduces the hardware expense by using a single front-end. Compensation techniques for the respective concurrent dual-band transmitter and receiver front-ends are proposed to combat the inter-band modulation distortion, and simultaneously reduce the distortion for the both lower-side band and upper-side band signals.電気通信大学201

Modelling, Dimensioning and Optimization of 5G Communication Networks, Resources and Services

This reprint aims to collect state-of-the-art research contributions that address challenges in the emerging 5G networks design, dimensioning and optimization. Designing, dimensioning and optimization of communication networks resources and services have been an inseparable part of telecom network development. The latter must convey a large volume of traffic, providing service to traffic streams with highly differentiated requirements in terms of bit-rate and service time, required quality of service and quality of experience parameters. Such a communication infrastructure presents many important challenges, such as the study of necessary multi-layer cooperation, new protocols, performance evaluation of different network parts, low layer network design, network management and security issues, and new technologies in general, which will be discussed in this book

Radio and computing resource management in SDR clouds

The aim of this thesis is defining and developing the concept of an efficient management of radio and computing resources in an SDR cloud. The SDR cloud breaks with today's cellular architecture. A set of distributed antennas are connected by optical fibre to data processing centres. The radio and computing infrastructure can be shared between different operators (virtualization), reducing costs and risks, while increasing the capacity and creating new business models and opportunities. The data centre centralizes the management of all system resources: antennas, spectrum, computing, routing, etc. Specially relevant is the computing resource management (CRM), whose objective is dynamically providing sufficient computing resources for a real-time execution of signal processing algorithms. Current CRM techniques are not designed for wireless applications. We demonstrate that this imposes a limit on the wireless traffic a CRM entity is capable to support. Based on this, a distributed management is proposed, where multiple CRM entities manage a cluster of processors, whose optimal size is derived from the traffic density. Radio resource management techniques (RRM) also need to be adapted to the characteristics of the new SDR cloud architecture. We introduce a linear cost model to measure the cost associated to the infrastructure resources consumed according to the pay-per-use model. Based on this model, we formulate the efficiency maximization power allocation problem (EMPA). The operational costs per transmitted bit achieved by EMPA are 6 times lower than with traditional power allocation methods. Analytical solutions are obtained for the single channel case, with and without channel state information at the transmitter. It is shown that the optimal transmission rate is an increasing function of the product of the channel gain with the operational costs divided by the power costs. The EMPA solution for multiple channels has the form of water-filling, present in many power allocation problems. In order to be able to obtain insights about how the optimal solution behaves as a function of the problem parameters, a novel technique based on ordered statistics has been developed. This technique allows solving general water-filling problems based on the channel statistics rather than their realization. This approach has allowed designing a low complexity EMPA algorithm (2 to 4 orders of magnitude faster than state-of-the-art algorithms). Using the ordered statistics technique, we have shown that the optimal transmission rate behaviour with respect to the average channel gains and cost parameters is equivalent to the single channel case and that the efficiency increases with the number of available channels. The results can be applied to design more efficient SDR clouds. As an example, we have derived the optimal ratio of number of antennas per user that maximizes the efficiency. As new users enter and leave the network, this ratio should be kept constant, enabling and disabling antennas dynamically. This approach exploits the dynamism and elasticity provided by the SDR cloud. In summary, this dissertation aims at influencing towards a change in the communications system management model (typically RRM), considering the introduction of the new infrastructure model (SDR cloud), new business models (based on Cloud Computing) and a more conciliatory view of an efficient resource management, not only focused on the optimization of the spectrum usage.El objetivo de esta tesis es de nir y desarrollar el concepto de gesti on e ciente de los recursos de radio y computaci on en un SDR cloud. El SDR cloud rompe con la estructura del sistema celular actual. Un conjunto de antenas distribuidas se conectan a centros de procesamiento mediante enlaces de comunicaci on de bra optica. La infraestructura de radio y procesamiento puede ser compartida entre distintos operadores (virtualizacion), disminuyendo costes y riesgos, aumentando la capacidad y abriendo nuevos modelos y oportunidades de negocio. La centralizaci on de la gesti on del sistema viene soportada por el centro de procesamiento, donde se realiza una gesti on de todos los recursos del sistema: antenas, espectro, computaci on, enrutado, etc. Resulta de especial relevancia la gesti on de los recursos de computaci on (CRM) cuyo objetivo es el de proveer, din amicamente, de su cientes recursos de computaci on para la ejecuci on en tiempo real de algoritmos de procesado del señal. Las t ecnicas actuales de CRM no han sido diseñadas para aplicaciones de comunicaciones. Demostramos que esta caracter stica impone un l ímite en el tr áfi co que un gestor CRM puede soportar. En base a ello, proponemos una gesti on distribuida donde m ultiples entidades CRM gestionan grupos de procesadores, cuyo tamaño optimo se deriva de la densidad de tr áfi co. Las t ecnicas actuales de gesti on de recursos radio (RRM) tambi en deben ser adaptadas a las caracter sticas de la nueva arquitectura SDR cloud. Introducimos un modelo de coste lineal que caracteriza los costes asociados al consumo de recursos de la infraestructura seg un el modelo de pago-por-uso. A partir de este modelo, formulamos el problema de asignaci on de potencia de m axima e ciencia (EMPA). Mediante una asignaci on EMPA, los costes de operaci on por bit transmitido son del orden de 6 veces menores que con los m etodos tradicionales. Se han obtenido soluciones anal ticas para el caso de un solo canal, con y sin informacion del canal disponible en el transmisor, y se ha demostrado que la velocidad optima de transmisi on es una funci on creciente del producto de la ganancia del canal por los costes operativos dividido entre los costes de potencia. La soluci on EMPA para varios canales satisface el modelo "water- lling", presente en muchos tipos de optimizaci on de potencia. Con el objetivo de conocer c omo esta se comporta en funci on de los par ametros del sistema, se ha desarrollado una t ecnica nueva basada en estadí sticas ordenadas. Esta t ecnica permite solucionar el problema del water- lling bas andose en la estadí stica del canal en vez de en su realizaci on. Este planteamiento, despu es de profundos an alisis matem aticos, ha permitido desarrollar un algoritmo de asignaci on de potencia de baja complejidad (2 a 4 ordenes de magnitud m as r apido que el estado del arte). Mediante esta t ecnica, se ha demostrado que la velocidad optima de transmisi on se comporta de forma equivalente al caso de un solo canal y que la e ciencia incrementa a medida que aumentan el numero de canales disponibles. Estos resultados pueden aplicarse a diseñar un SDR cloud de forma m as e ciente. A modo de ejemplo, hemos obtenido el ratio optimo de n umero de antenas por usuario que maximiza la e ciencia. A medida que los usuarios entran y salen de la red, este ratio debe mantenerse constante, a fin de mantener una efi ciencia lo m as alta posible, activando o desactivando antenas din amicamente. De esta forma se explota completamente el dinamismo ofrecido por una arquitectura el astica como el SDR cloud. En de nitiva, este trabajo pretende incidir en un cambio del modelo de gesti on de un sistema de comunicaciones (t ípicamente RRM) habida cuenta de la introducci on de una nueva infraestructura (SDR cloud), nuevos modelos de negocio (basados en Cloud Computing) y una visi on m as integradora de la gesti on e ciente de los recursos del sistema, no solo centrada en la optimizaci on del uso del espectro

A fast engineering approach to high efficiency power amplifier linearization for avionics applications

This PhD thesis provides a fast engineering approach to the design of digital predistortion (DPD) linearizers from several perspectives: i) enhancing the off-line training performance of open-loop DPD, ii) providing robustness and reducing the computational complexity of the parameters identification subsystem and, iii) importing machine learning techniques to favor the automatic tuning of power amplifiers (PAs) and DPD linearizers with several free-parameters to maximize power efficiency while meeting the linearity specifications. One of the essential parts of unmanned aerial vehicles (UAV) is the avionics, being the radio control one of the earliest avionics present in the UAV. Unlike the control signal, for transferring user data (such as images, video, etc.) real-time from the drone to the ground station, large transmission rates are required. The PA is a key element in the transmitter chain to guarantee the data transmission (video, photo, etc.) over a long range from the ground station. The more linear output power, the better the coverage or alternatively, with the same coverage, better SNR allows the use of high-order modulation schemes and thus higher transmission rates are achieved. In the context of UAV wireless communications, the power consumption, size and weight of the payload is of significant importance. Therefore, the PA design has to take into account the compromise among bandwidth, output power, linearity and power efficiency (very critical in battery-supplied devices). The PA can be designed to maximize its power efficiency or its linearity, but not both. Therefore, a way to deal with this inherent trade-off is to design high efficient amplification topologies and let the PA linearizers take care of the linearity requirements. Among the linearizers, DPD linearization is the preferred solution to both academia and industry, for its high flexibility and linearization performance. In order to save as many computational and power resources as possible, the implementation of an open-loop DPD results a very attractive solution for UAV applications. This thesis contributes to the PA linearization, especially on off-line training for open-loop DPD, by presenting two different methods for reducing the design and operating costs of an open-loop DPD, based on the analysis of the DPD function. The first method focuses on the input domain analysis, proposing mesh-selecting (MeS) methods to accurately select the proper samples for a computationally efficient DPD parameter estimation. Focusing in the MeS method with better performance, the memory I-Q MeS method is combined with feature extraction dimensionality reduction technique to allow a computational complexity reduction in the identification subsystem by a factor of 65, in comparison to using the classical QR-LS solver and consecutive samples selection. In addition, the memory I-Q MeS method has been proved to be of crucial interest when training artificial neural networks (ANN) for DPD purposes, by significantly reducing the ANN training time. The second method involves the use of machine learning techniques in the DPD design procedure to enlarge the capacity of the DPD algorithm when considering a high number of free parameters to tune. On the one hand, the adaLIPO global optimization algorithm is used to find the best parameter configuration of a generalized memory polynomial behavioral model for DPD. On the other hand, a methodology to conduct a global optimization search is proposed to find the optimum values of a set of key circuit and system level parameters, that properly combined with DPD linearization and crest factor reduction techniques, can exploit at best dual-input PAs in terms of maximizing power efficiency along wide bandwidths while being compliant with the linearity specifications. The advantages of these proposed techniques have been validated through experimental tests and the obtained results are analyzed and discussed along this thesis.Aquesta tesi doctoral proporciona unes pautes per al disseny de linealitzadors basats en predistorsió digital (DPD) des de diverses perspectives: i) millorar el rendiment del DPD en llaç obert, ii) proporcionar robustesa i reduir la complexitat computacional del subsistema d'identificació de paràmetres i, iii) incorporació de tècniques d'aprenentatge automàtic per afavorir l'auto-ajustament d'amplificadors de potència (PAs) i linealitzadors DPD amb diversos graus de llibertat per poder maximitzar l’eficiència energètica i al mateix temps acomplir amb les especificacions de linealitat. Una de les parts essencials dels vehicles aeris no tripulats (UAV) _es l’aviònica, sent el radiocontrol un dels primers sistemes presents als UAV. Per transferir dades d'usuari (com ara imatges, vídeo, etc.) en temps real des del dron a l’estació terrestre, es requereixen taxes de transmissió grans. El PA _es un element clau de la cadena del transmissor per poder garantir la transmissió de dades a grans distàncies de l’estació terrestre. A major potència de sortida, més cobertura o, alternativament, amb la mateixa cobertura, millor relació senyal-soroll (SNR) la qual cosa permet l’ús d'esquemes de modulació d'ordres superiors i, per tant, aconseguir velocitats de transmissió més altes. En el context de les comunicacions sense fils en UAVs, el consum de potència, la mida i el pes de la càrrega útil són de vital importància. Per tant, el disseny del PA ha de tenir en compte el compromís entre ample de banda, potència de sortida, linealitat i eficiència energètica (molt crític en dispositius alimentats amb bateries). El PA es pot dissenyar per maximitzar la seva eficiència energètica o la seva linealitat, però no totes dues. Per tant, per afrontar aquest compromís s'utilitzen topologies amplificadores d'alta eficiència i es deixa que el linealitzador s'encarregui de garantir els nivells necessaris de linealitat. Entre els linealitzadors, la linealització DPD és la solució preferida tant per al món acadèmic com per a la indústria, per la seva alta flexibilitat i rendiment. Per tal d'estalviar tant recursos computacionals com consum de potència, la implementació d'un DPD en lla_c obert resulta una solució molt atractiva per a les aplicacions UAV. Aquesta tesi contribueix a la linealització del PA, especialment a l'entrenament fora de línia de linealitzadors DPD en llaç obert, presentant dos mètodes diferents per reduir el cost computacional i augmentar la fiabilitat dels DPDs en llaç obert. El primer mètode se centra en l’anàlisi de l’estadística del senyal d'entrada, proposant mètodes de selecció de malla (MeS) per seleccionar les mostres més significatives per a una estimació computacionalment eficient dels paràmetres del DPD. El mètode proposat IQ MeS amb memòria es pot combinar amb tècniques de reducció del model del DPD i d'aquesta manera poder aconseguir una reducció de la complexitat computacional en el subsistema d’identificació per un factor de 65, en comparació amb l’ús de l'algoritme clàssic QR-LS i selecció de mostres d'entrenament consecutives. El segon mètode consisteix en l’ús de tècniques d'aprenentatge automàtic pel disseny del DPD quan es considera un gran nombre de graus de llibertat (paràmetres) per sintonitzar. D'una banda, l'algorisme d’optimització global adaLIPO s'utilitza per trobar la millor configuració de paràmetres d'un model polinomial amb memòria generalitzat per a DPD. D'altra banda, es proposa una estratègia per l’optimització global d'un conjunt de paràmetres clau per al disseny a nivell de circuit i sistema, que combinats amb linealització DPD i les tècniques de reducció del factor de cresta, poden maximitzar l’eficiència de PAs d'entrada dual de gran ample de banda, alhora que compleixen les especificacions de linealitat. Els avantatges d'aquestes tècniques proposades s'han validat mitjançant proves experimentals i els resultats obtinguts s'analitzen i es discuteixen al llarg d'aquesta tesi

GNSS array-based acquisition: theory and implementation

This Dissertation addresses the signal acquisition problem using antenna arrays in the general framework of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) receivers. The term GNSS classi es those navigation systems based on a constellation of satellites, which emit ranging signals useful for positioning. Although the American GPS is already available, which coexists with the renewed Russian Glonass, the forthcoming European contribution (Galileo) along with the Chinese Compass will be operative soon. Therefore, a variety of satellite constellations and signals will be available in the next years. GNSSs provide the necessary infrastructures for a myriad of applications and services that demand a robust and accurate positioning service. The positioning availability must be guaranteed all the time, specially in safety-critical and mission-critical services. Examining the threats against the service availability, it is important to take into account that all the present and the forthcoming GNSSs make use of Code Division Multiple Access (CDMA) techniques. The ranging signals are received with very low precorrelation signal-to-noise ratio (in the order of ���22 dB for a receiver operating at the Earth surface). Despite that the GNSS CDMA processing gain o ers limited protection against Radio Frequency interferences (RFI), an interference with a interference-to-signal power ratio that exceeds the processing gain can easily degrade receivers' performance or even deny completely the GNSS service, specially conventional receivers equipped with minimal or basic level of protection towards RFIs. As a consequence, RFIs (either intentional or unintentional) remain as the most important cause of performance degradation. A growing concern of this problem has appeared in recent times. Focusing our attention on the GNSS receiver, it is known that signal acquisition has the lowest sensitivity of the whole receiver operation, and, consequently, it becomes the performance bottleneck in the presence of interfering signals. A single-antenna receiver can make use of time and frequency diversity to mitigate interferences, even though the performance of these techniques is compromised in low SNR scenarios or in the presence of wideband interferences. On the other hand, antenna arrays receivers can bene t from spatial-domain processing, and thus mitigate the e ects of interfering signals. Spatial diversity has been traditionally applied to the signal tracking operation of GNSS receivers. However, initial tracking conditions depend on signal acquisition, and there are a number of scenarios in which the acquisition process can fail as stated before. Surprisingly, to the best of our knowledge, the application of antenna arrays to GNSS signal acquisition has not received much attention. This Thesis pursues a twofold objective: on the one hand, it proposes novel arraybased acquisition algorithms using a well-established statistical detection theory framework, and on the other hand demonstrates both their real-time implementation feasibility and their performance in realistic scenarios. The Dissertation starts with a brief introduction to GNSS receivers fundamentals, providing some details about the navigation signals structure and the receiver's architecture of both GPS and Galileo systems. It follows with an analysis of GNSS signal acquisition as a detection problem, using the Neyman-Pearson (NP) detection theory framework and the single-antenna acquisition signal model. The NP approach is used here to derive both the optimum detector (known as clairvoyant detector ) and the sov called Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT) detector, which is the basis of almost all of the current state-of-the-art acquisition algorithms. Going further, a novel detector test statistic intended to jointly acquire a set of GNSS satellites is obtained, thus reducing both the acquisition time and the required computational resources. The eff ects of the front-end bandwidth in the acquisition are also taken into account. Then, the GLRT is extended to the array signal model to obtain an original detector which is able to mitigate temporally uncorrelated interferences even if the array is unstructured and moderately uncalibrated, thus becoming one of the main contributions of this Dissertation. The key statistical feature is the assumption of an arbitrary and unknown covariance noise matrix, which attempts to capture the statistical behavior of the interferences and other non-desirable signals, while exploiting the spatial dimension provided by antenna arrays. Closed form expressions for the detection and false alarm probabilities are provided. Performance and interference rejection capability are modeled and compared both to their theoretical bound. The proposed array-based acquisition algorithm is also compared to conventional acquisition techniques performed after blind null-steering beamformer approaches, such as the power minimization algorithm. Furthermore, the detector is analyzed under realistic conditions, accounting for the presence of errors in the covariance matrix estimation, residual Doppler and delay errors, and signal quantization e ects. Theoretical results are supported by Monte Carlo simulations. As another main contribution of this Dissertation, the second part of the work deals with the design and the implementation of a novel Field Programmable Gate Array (FPGA)-based GNSS real-time antenna-array receiver platform. The platform is intended to be used as a research tool tightly coupled with software de ned GNSS receivers. A complete signal reception chain including the antenna array and the multichannel phase-coherent RF front-end for the GPS L1/ Galileo E1 was designed, implemented and tested. The details of the digital processing section of the platform, such as the array signal statistics extraction modules, are also provided. The design trade-o s and the implementation complexities were carefully analyzed and taken into account. As a proof-of-concept, the problem of GNSS vulnerability to interferences was addressed using the presented platform. The array-based acquisition algorithms introduced in this Dissertation were implemented and tested under realistic conditions. The performance of the algorithms were compared to single antenna acquisition techniques, measured under strong in-band interference scenarios, including narrow/wide band interferers and communication signals. The platform was designed to demonstrate the implementation feasibility of novel array-based acquisition algorithms, leaving the rest of the receiver operations (mainly, tracking, navigation message decoding, code and phase observables, and basic Position, Velocity and Time (PVT) solution) to a Software De ned Radio (SDR) receiver running in a personal computer, processing in real-time the spatially- ltered signal sample stream coming from the platform using a Gigabit Ethernet bus data link. In the last part of this Dissertation, we close the loop by designing and implementing such software receiver. The proposed software receiver targets multi-constellation/multi-frequency architectures, pursuing the goals of e ciency, modularity, interoperability, and exibility demanded by user domains that require non-standard features, such as intermediate signals or data extraction and algorithms interchangeability. In this context, we introduce an open-source, real-time GNSS software de ned receiver (so-named GNSS-SDR) that contributes with several novel features such as the use of software design patterns and shared memory techniques to manage e ciently the data ow between receiver blocks, the use of hardware-accelerated instructions for time-consuming vector operations like carrier wipe-o and code correlation, and the availability to compile and run on multiple software platforms and hardware architectures. At this time of writing (April 2012), the receiver enjoys of a 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error lower than 2 meters for a GPS L1 C/A scenario with 8 satellites in lock and a Horizontal Dilution Of Precision (HDOP) of 1.2.Esta tesis aborda el problema de la adquisición de la señal usando arrays de antenas en el marco general de los receptores de Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS). El término GNSS engloba aquellos sistemas de navegación basados en una constelación de satélites que emiten señales útiles para el posicionamiento. Aunque el GPS americano ya está disponible, coexistiendo con el renovado sistema ruso GLONASS, actualmente se está realizando un gran esfuerzo para que la contribución europea (Galileo), junto con el nuevo sistema chino Compass, estén operativos en breve. Por lo tanto, una gran variedad de constelaciones de satélites y señales estarán disponibles en los próximos años. Estos sistemas proporcionan las infraestructuras necesarias para una multitud de aplicaciones y servicios que demandan un servicio de posicionamiento confiable y preciso. La disponibilidad de posicionamiento se debe garantizar en todo momento, especialmente en los servicios críticos para la seguridad de las personas y los bienes. Cuando examinamos las amenazas de la disponibilidad del servicio que ofrecen los GNSSs, es importante tener en cuenta que todos los sistemas presentes y los sistemas futuros ya planificados hacen uso de técnicas de multiplexación por división de código (CDMA). Las señales transmitidas por los satélites son recibidas con una relación señal-ruido (SNR) muy baja, medida antes de la correlación (del orden de -22 dB para un receptor ubicado en la superficie de la tierra). A pesar de que la ganancia de procesado CDMA ofrece una protección inherente contra las interferencias de radiofrecuencia (RFI), esta protección es limitada. Una interferencia con una relación de potencia de interferencia a potencia de la señal que excede la ganancia de procesado puede degradar el rendimiento de los receptores o incluso negar por completo el servicio GNSS. Este riesgo es especialmente importante en receptores convencionales equipados con un nivel mínimo o básico de protección frente las RFIs. Como consecuencia, las RFIs (ya sean intencionadas o no intencionadas), se identifican como la causa más importante de la degradación del rendimiento en GNSS. El problema esta causando una preocupación creciente en los últimos tiempos, ya que cada vez hay más servicios que dependen de los GNSSs Si centramos la atención en el receptor GNSS, es conocido que la adquisición de la señal tiene la menor sensibilidad de todas las operaciones del receptor, y, en consecuencia, se convierte en el factor limitador en la presencia de señales interferentes. Un receptor de una sola antena puede hacer uso de la diversidad en tiempo y frecuencia para mitigar las interferencias, aunque el rendimiento de estas técnicas se ve comprometido en escenarios con baja SNR o en presencia de interferencias de banda ancha. Por otro lado, los receptores basados en múltiples antenas se pueden beneficiar del procesado espacial, y por lo tanto mitigar los efectos de las señales interferentes. La diversidad espacial se ha aplicado tradicionalmente a la operación de tracking de la señal en receptores GNSS. Sin embargo, las condiciones iniciales del tracking dependen del resultado de la adquisición de la señal, y como hemos visto antes, hay un número de situaciones en las que el proceso de adquisición puede fallar. En base a nuestro grado de conocimiento, la aplicación de los arrays de antenas a la adquisición de la señal GNSS no ha recibido mucha atención, sorprendentemente. El objetivo de esta tesis doctoral es doble: por un lado, proponer nuevos algoritmos para la adquisición basados en arrays de antenas, usando como marco la teoría de la detección de señal estadística, y por otro lado, demostrar la viabilidad de su implementación y ejecución en tiempo real, así como su medir su rendimiento en escenarios realistas. La tesis comienza con una breve introducción a los fundamentos de los receptores GNSS, proporcionando algunos detalles sobre la estructura de las señales de navegación y la arquitectura del receptor aplicada a los sistemas GPS y Galileo. Continua con el análisis de la adquisición GNSS como un problema de detección, aplicando la teoría del detector Neyman-Pearson (NP) y el modelo de señal de una única antena. El marco teórico del detector NP se utiliza aquí para derivar tanto el detector óptimo (conocido como detector clarividente) como la denominada Prueba Generalizada de la Razón de Verosimilitud (en inglés, Generalized Likelihood Ratio Test (GLRT)), que forma la base de prácticamente todos los algoritmos de adquisición del estado del arte actual. Yendo más lejos, proponemos un nuevo detector diseñado para adquirir simultáneamente un conjunto de satélites, por lo tanto, obtiene una reducción del tiempo de adquisición y de los recursos computacionales necesarios en el proceso, respecto a las técnicas convencionales. El efecto del ancho de banda del receptor también se ha tenido en cuenta en los análisis. A continuación, el detector GLRT se extiende al modelo de señal de array de antenas para obtener un detector nuevo que es capaz de mitigar interferencias no correladas temporalmente, incluso utilizando arrays no estructurados y moderadamente descalibrados, convirtiéndose así en una de las principales aportaciones de esta tesis. La clave del detector es asumir una matriz de covarianza de ruido arbitraria y desconocida en el modelo de señal, que trata de captar el comportamiento estadístico de las interferencias y otras señales no deseadas, mientras que utiliza la dimensión espacial proporcionada por los arrays de antenas. Se han derivado las expresiones que modelan las probabilidades teóricas de detección y falsa alarma. El rendimiento del detector y su capacidad de rechazo a interferencias se han modelado y comparado con su límite teórico. El algoritmo propuesto también ha sido comparado con técnicas de adquisición convencionales, ejecutadas utilizando la salida de conformadores de haz que utilizan algoritmos de filtrado de interferencias, como el algoritmo de minimización de la potencia. Además, el detector se ha analizado bajo condiciones realistas, representadas con la presencia de errores en la estimación de covarianzas, errores residuales en la estimación del Doppler y el retardo de señal, y los efectos de la cuantificación. Los resultados teóricos se apoyan en simulaciones de Monte Carlo. Como otra contribución principal de esta tesis, la segunda parte del trabajo trata sobre el diseño y la implementación de una nueva plataforma para receptores GNSS en tiempo real basados en array de antenas que utiliza la tecnología de matriz programable de puertas lógicas (en ingles Field Programmable Gate Array (FPGA)). La plataforma está destinada a ser utilizada como una herramienta de investigación estrechamente acoplada con receptores GNSS definidos por software. Se ha diseñado, implementado y verificado la cadena completa de recepción, incluyendo el array de antenas y el front-end multi-canal para las señales GPS L1 y Galileo E1. El documento explica en detalle el procesado de señal que se realiza, como por ejemplo, la implementación del módulo de extracción de estadísticas de la señal. Los compromisos de diseño y las complejidades derivadas han sido cuidadosamente analizadas y tenidas en cuenta. La plataforma ha sido utilizada como prueba de concepto para solucionar el problema presentado de la vulnerabilidad del GNSS a las interferencias. Los algoritmos de adquisición introducidos en esta tesis se han implementado y probado en condiciones realistas. El rendimiento de los algoritmos se comparó con las técnicas de adquisición basadas en una sola antena. Se han realizado pruebas en escenarios que contienen interferencias dentro de la banda GNSS, incluyendo interferencias de banda estrecha y banda ancha y señales de comunicación. La plataforma fue diseñada para demostrar la viabilidad de la implementación de nuevos algoritmos de adquisición basados en array de antenas, dejando el resto de las operaciones del receptor (principalmente, los módulos de tracking, decodificación del mensaje de navegación, los observables de código y fase, y la solución básica de Posición, Velocidad y Tiempo (PVT)) a un receptor basado en el concepto de Radio Definida por Software (SDR), el cual se ejecuta en un ordenador personal. El receptor procesa en tiempo real las muestras de la señal filltradas espacialmente, transmitidas usando el bus de datos Gigabit Ethernet. En la última parte de esta Tesis, cerramos ciclo diseñando e implementando completamente este receptor basado en software. El receptor propuesto está dirigido a las arquitecturas de multi-constalación GNSS y multi-frecuencia, persiguiendo los objetivos de eficiencia, modularidad, interoperabilidad y flexibilidad demandada por los usuarios que requieren características no estándar, tales como la extracción de señales intermedias o de datos y intercambio de algoritmos. En este contexto, se presenta un receptor de código abierto que puede trabajar en tiempo real, llamado GNSS-SDR, que contribuye con varias características nuevas. Entre ellas destacan el uso de patrones de diseño de software y técnicas de memoria compartida para administrar de manera eficiente el uso de datos entre los bloques del receptor, el uso de la aceleración por hardware para las operaciones vectoriales más costosas, como la eliminación de la frecuencia Doppler y la correlación de código, y la disponibilidad para compilar y ejecutar el receptor en múltiples plataformas de software y arquitecturas de hardware. A fecha de la escritura de esta Tesis (abril de 2012), el receptor obtiene un rendimiento basado en la medida de la raíz cuadrada del error cuadrático medio en la distancia bidimensional (en inglés, 2-dimensional Distance Root Mean Square (DRMS) error) menor de 2 metros para un escenario GPS L1 C/A con 8 satélites visibles y una dilución de la precisión horizontal (en inglés, Horizontal Dilution Of Precision (HDOP)) de 1.2

Adaptive Communications for Next Generation Broadband Wireless Access Systems

Un dels aspectes claus en el disseny i gestió de les xarxes sense fils d'accés de banda ampla és l'ús eficient dels recursos radio. Des del punt de vista de l'operador, l'ample de banda és un bé escàs i preuat que s´ha d'explotar i gestionar de la forma més eficient possible tot garantint la qualitat del servei que es vol proporcionar. Per altra banda, des del punt de vista del usuari, la qualitat del servei ofert ha de ser comparable al de les xarxes fixes, requerint així un baix retard i una baixa pèrdua de paquets per cadascun dels fluxos de dades entre la xarxa i l'usuari. Durant els darrers anys s´han desenvolupat nombroses tècniques i algoritmes amb l'objectiu d'incrementar l'eficiència espectral. Entre aquestes tècniques destaca l'ús de múltiples antenes al transmissor i al receptor amb l'objectiu de transmetre diferents fluxos de dades simultaneament sense necessitat d'augmentar l'ample de banda. Per altra banda, la optimizació conjunta de la capa d'accés al medi i la capa física (fent ús de l'estat del canal per tal de gestionar de manera optima els recursos) també permet incrementar sensiblement l'eficiència espectral del sistema.L'objectiu d'aquesta tesi és l'estudi i desenvolupament de noves tècniques d'adaptació de l'enllaç i gestió dels recursos ràdio aplicades sobre sistemes d'accés ràdio de propera generació (Beyond 3G). Els estudis realitzats parteixen de la premissa que el transmisor coneix (parcialment) l'estat del canal i que la transmissió es realitza fent servir un esquema multiportadora amb múltiples antenes al transmisor i al receptor. En aquesta tesi es presenten dues línies d'investigació, la primera per casos d'una sola antenna a cada banda de l'enllaç, i la segona en cas de múltiples antenes. En el cas d'una sola antena al transmissor i al receptor, un nou esquema d'assignació de recursos ràdio i priorització dels paquets (scheduling) és proposat i analitzat integrant totes dues funcions sobre una mateixa entitat (cross-layer). L'esquema proposat té com a principal característica la seva baixa complexitat i que permet operar amb transmissions multimedia. Alhora, posteriors millores realitzades per l'autor sobre l'esquema proposat han permès també reduir els requeriments de senyalització i combinar de forma óptima usuaris d'alta i baixa mobilitat sobre el mateix accés ràdio, millorant encara més l'eficiència espectral del sistema. En cas d'enllaços amb múltiples antenes es proposa un nou esquema que combina la selecció del conjunt optim d'antenes transmissores amb la selecció de la codificació espai- (frequència-) temps. Finalment es donen una sèrie de recomanacions per tal de combinar totes dues línies d'investigació, així con un estat de l'art de les tècniques proposades per altres autors que combinen en part la gestió dels recursos ràdio i els esquemes de transmissió amb múltiples antenes.Uno de los aspectos claves en el diseño y gestión de las redes inalámbricas de banda ancha es el uso eficiente de los recursos radio. Desde el punto de vista del operador, el ancho de banda es un bien escaso y valioso que se debe explotar y gestionar de la forma más eficiente posible sin afectar a la calidad del servicio ofrecido. Por otro lado, desde el punto de vista del usuario, la calidad del servicio ha de ser comparable al ofrecido por las redes fijas, requiriendo así un bajo retardo y una baja tasa de perdida de paquetes para cada uno de los flujos de datos entre la red y el usuario. Durante los últimos años el número de técnicas y algoritmos que tratan de incrementar la eficiencia espectral en dichas redes es bastante amplio. Entre estas técnicas destaca el uso de múltiples antenas en el transmisor y en el receptor con el objetivo de poder transmitir simultáneamente diferentes flujos de datos sin necesidad de incrementar el ancho de banda. Por otro lado, la optimización conjunta de la capa de acceso al medio y la capa física (utilizando información de estado del canal para gestionar de manera óptima los recursos) también permite incrementar sensiblemente la eficiencia espectral del sistema.El objetivo de esta tesis es el estudio y desarrollo de nuevas técnicas de adaptación del enlace y la gestión de los recursos radio, y su posterior aplicación sobre los sistemas de acceso radio de próxima generación (Beyond 3G). Los estudios realizados parten de la premisa de que el transmisor conoce (parcialmente) el estado del canal a la vez que se considera que la transmisión se realiza sobre un sistema de transmisión multiportadora con múltiple antenas en el transmisor y el receptor. La tesis se centra sobre dos líneas de investigación, la primera para casos de una única antena en cada lado del enlace, y la segunda en caso de múltiples antenas en cada lado. Para el caso de una única antena en el transmisor y en el receptor, se ha desarrollado un nuevo esquema de asignación de los recursos radio así como de priorización de los paquetes de datos (scheduling) integrando ambas funciones sobre una misma entidad (cross-layer). El esquema propuesto tiene como principal característica su bajo coste computacional a la vez que se puede aplicar en caso de transmisiones multimedia. Posteriores mejoras realizadas por el autor sobre el esquema propuesto han permitido también reducir los requisitos de señalización así como combinar de forma óptima usuarios de alta y baja movilidad. Por otro lado, en caso de enlaces con múltiples antenas en transmisión y recepción, se presenta un nuevo esquema de adaptación en el cual se combina la selección de la(s) antena(s) transmisora(s) con la selección del esquema de codificación espacio-(frecuencia-) tiempo. Para finalizar, se dan una serie de recomendaciones con el objetivo de combinar ambas líneas de investigación, así como un estado del arte de las técnicas propuestas por otros autores que combinan en parte la gestión de los recursos radio y los esquemas de transmisión con múltiples antenas.In Broadband Wireless Access systems the efficient use of the resources is crucial from many points of views. From the operator point of view, the bandwidth is a scarce, valuable, and expensive resource which must be exploited in an efficient manner while the Quality of Service (QoS) provided to the users is guaranteed. On the other hand, a tight delay and link quality constraints are imposed on each data flow hence the user experiences the same quality as in fixed networks. During the last few years many techniques have been developed in order to increase the spectral efficiency and the throughput. Among them, the use of multiple antennas at the transmitter and the receiver (exploiting spatial multiplexing) with the joint optimization of the medium access control layer and the physical layer parameters.In this Ph.D. thesis, different adaptive techniques for B3G multicarrier wireless systems are developed and proposed focusing on the SS-MC-MA and the OFDM(A) (IEEE 802.16a/e/m standards) communication schemes. The research lines emphasize into the adaptation of the transmission having (Partial) knowledge of the Channel State Information for both; single antenna and multiple antenna links. For single antenna links, the implementation of a joint resource allocation and scheduling strategy by including adaptive modulation and coding is investigated. A low complexity resource allocation and scheduling algorithm is proposed with the objective to cope with real- and/or non-real- time requirements and constraints. A special attention is also devoted in reducing the required signalling. However, for multiple antenna links, the performance of a proposed adaptive transmit antenna selection scheme jointly with space-time block coding selection is investigated and compared with conventional structures. In this research line, mainly two optimizations criteria are proposed for spatial link adaptation, one based on the minimum error rate for fixed throughput, and the second focused on the maximisation of the rate for fixed error rate. Finally, some indications are given on how to include the spatial adaptation into the investigated and proposed resource allocation and scheduling process developed for single antenna transmission

Receptores de rádio-frequência melhorados e disruptivos

This Ph.D. mainly addresses the reception part of a radio front end, focusing on Radio Frequency (RF) sampling architectures. These are considered to be the most promising future candidates to get better performance in terms of bandwidth and agility, following the well-known Software-Defined Radio (SDR) concept. The study considers the usage of an RF receiver in a standalone operation, i.e., used for receiving unknown data at the antenna, and when used as observation path for Power Amplifier (PA) linearization via Digital Predistortion (DPD), since nowadays this represents a mandatory technique to increase overall system’s performance. Firstly, commercial available RF Analog-Digital-Converters (ADCs) are studied and characterized to understand their limitations when used in DPD scenarios. A method for characterization and digital post-compensation to improve performance is proposed and evaluated. Secondly, an innovative FPGA-based RF single-bit pulsed converter based on Pulse Width Modulation (PWM) is addressed targeting frequency agility, high analog input bandwidth, and system integration, taking profit of an FPGA-based implementation. The latter was optimized based on PWM theoretical behavior maximizing Signal-to-Noise-Ratio (SNR) and bandwidth. The optimized receiver, was afterwards evaluated in a 5G C-RAN architecture and as a feedback loop for DPD. Finally, a brief study regarding DPD feedback loops in the scope of multiantenna transmitters is presented. This Ph.D. contributes with several advances to the state-of-the-art of SDR receiver, and to the so-called SDR DPD concept.Este doutoramento endereça principalmente a componente de receção de um transcetor de rádio-frequência (RF), focando-se em arquiteturas de receção de amostragem em RF. Estas são assim consideradas como sendo as mais promissoras para o futuro, em termos de desempenho, largura de banda e agilidade, de acordo com o conhecido conceito de Rádios Definidos por Software (SDR). O estudo considera o uso dos recetores de RF em modo standalone, i.e., recebendo dados desconhecidos provenientes da antena, e também quando usados como caminho de observação para aplicação de linearização de amplificadores de potência (PAs) via pré-distorção digital (DPD), pois atualmente esta é uma técnica fundamental para aumentar o desempenho geral do sistema. Em primeiro lugar, os conversores analógico-digital de RF são estudados e caracterizados para perceber as suas limitações quando usados em cenários de DPD. Um método de caracterização e pós compensação digital é proposto para obter melhorias de desempenho. Em segundo lugar, um novo recetor pulsado de um bit baseado em Modulação de Largura de Pulso (PWM) e implementado em Agregado de Células Lógicas Programáveis (FPGA) é endereçado, visando agilidade em frequência, largura de banda analógica e integração de sistema, tirando proveito da implementação em FPGA. Este recetor foi otimizado com base no modelo comportamental teórico da modulação PWM, maximizando a relação sinalruído (SNR) e a largura de banda. O recetor otimizado foi posteriormente avaliado num cenário 5G de uma arquitetura C-RAN e também num cenário em que serve de caminho de observação para DPD. Finalmente, um breve estudo relativo a caminhos de observação de DPD no contexto de transmissores multi-antena é também apresentado. Este doutoramento contribui com vários avanços no estado da arte de recetores SDR e no conceito de SDR DPD.Programa Doutoral em Engenharia Eletrotécnic